冷大气压等离子体直接暴露诱导产纤维素酶黑曲霉A32的微生物损伤与诱变效应研究

本研究针对食品工业微生物育种效率低的问题，采用冷大气压等离子体(CAP)直接处理黑曲霉A32，发现20 kV处理可获得75%致死率和最高正突变率。突变株A32-C10的β-葡萄糖苷酶(40.69 U/mL)、滤纸降解酶(29.21 U/mL)和内切纤维素酶(14.09 U/mL)活性分别提升57%、30%和35%，电镜观察到细胞结构显著损伤，全基因组测序揭示205个突变位点。该研究为CAP作为新型物理诱变剂在食品微生物育种中的应用提供理论依据。

　　

在食品工业领域，纤维素酶的高效生产一直是行业痛点。传统微生物诱变技术如紫外线和化学诱变存在效率低、污染大等缺陷，而冷大气压等离子体(CAP)因其独特的非热平衡特性，含有高能电子、活性氧自由基等组分，成为新型物理诱变技术的热点。内蒙古某高校团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表的研究，首次系统揭示了CAP直接暴露对产纤维素酶黑曲霉A32的损伤机制与诱变效应。

研究人员采用针-阵列-板介质阻挡放电装置产生CAP，通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察细胞超微结构变化，结合全基因组重测序和基因本体(GO)分析，解析突变分子机制。关键技术包括：15-25 kV梯度CAP处理优化、突变株高通量筛选、酶活检测(β-glucosidase/FPAase/CMCase)、显微成像技术及生物信息学分析。

实验装置与电学参数测量
特殊设计的针-阵列-板放电装置在20 kV放电电压下产生最优等离子体流，放电电流波形显示典型介质阻挡放电特征，为后续实验提供标准化处理条件。

CAP对黑曲霉的损伤效应
SEM显示CAP处理导致分生孢子头严重变形，菌丝体表面出现凹陷和孔洞；TEM观察到细胞内膜系统破裂和胞质渗出，证实CAP通过物理氧化损伤破坏细胞完整性。

突变株筛选与酶活提升
经刚果红初筛和发酵复筛获得的A32-C10突变株，其β-glucosidase、滤纸酶(FPAase)和内切纤维素酶(CMCase)活性分别较野生型显著提高，证明CAP处理可同步实现高致死率与高正突变率。

基因组突变特征分析
全基因组重测序鉴定出151个SNPs和54个InDels，GO富集显示突变基因主要参与转录调控、有丝分裂和氧化还原平衡，揭示CAP通过干扰关键生物学过程诱导表型变异。

该研究证实CAP作为非化学诱变剂，能有效诱导黑曲霉基因组变异并提升工业酶产量。特别值得注意的是，20 kV处理条件在保持75%致死率的同时实现最高正突变率，这种"致死-突变平衡效应"为工业菌株定向改造提供了新策略。研究结果对发展绿色微生物育种技术、降低食品酶生产成本具有重要实践意义，也为CAP在其它工业微生物中的应用提供了范式参考。